Производство и запуски современных космических спутников заметно упростились, так как они гораздо легче своих предшественников. Вместе с тем снизился вес и размер ракет, выводящих спутники на орбиту. Достичь таких результатов позволило применение инновационных материалов, в том числе изготовленных на основе аддитивных технологий. Одной из заслуживающих внимания разработок в этой области стал жидкостный ракетный двигатель Е-2, часть элементов которого была создана при помощи 3D печати.
Данный модуль разработала американская компания-стартап Launcher, основанная в 2017 году в Калифорнии. В процессе работы она объединила технологию жидкостной тяги с напечатанными на 3D принтере металлическими деталями. Это позволило ей создать бюджетный ракетный двигатель Launcher Engine-2 (E-2), способный эффективно выводить на орбиту небольшие спутники. Предполагается, что устройство будет самым мощным жидкостным ракетным двигателем в своем классе и станет ключевым компонентом будущей ракеты Launcher Light. Модуль был разработан ею в сотрудничестве с компанией Stratasys Direct Manufacturing, также она использовала технологию аддитивного производства из металла Velo3D.
Что представляет собой ракетный двигатель E-2
Его мощность достигает 22 000 единиц фунт-сила (lbf), в качестве топлива он использует жидкий кислород (LOX) и керосин высокой степени очистки RP-1. Изготовленный из медного сплава, двигатель демонстрирует 98% КПД сгорания. А благодаря хорошей сбалансированности, крыльчатка двигателя обеспечивает до 30 000 оборотов в минуту в условиях криогенной заморозки, доставляя жидкий кислород в космос.
Впрочем, инновационная и высокопроизводительная конструкция ракетного двигателя Е-2 весьма затрудняет его производство. Наиболее сложной деталью является система турбонаддува вместе с крыльчаткой. Основатель и СЕО Launcher Макс Хаот объяснил сложность проекта тем, что турбонаддув по умолчанию является важнейшей частью любого жидкостного двигателя. А когда речь идет о двигателе замкнутой схемы (ЖРД закрытого цикла), то сложность возрастает еще сильнее.
Поэтому разработчики не имели права допустить ни малейшей ошибки на этом этапе реализации проекта. Это было действительно критично, так как устройство транспортирует жидкий кислород, а его крыльчатка вращается на скорости 30 000 оборотов в минуту, чтобы турбина могла произвести 1 мегаватт энергии. Всё это происходит при давлении 4000 psi (фунт-сила на квадратный дюйм), в таких условиях любой сбой или даже трение между ротором и статором способно вызвать мгновенную аварию.
А решить проблему помогли аддитивные технологии. Launcher обратилась к Stratasys Direct Manufacturing и та разработала отлично сбалансированное рабочее колесо турбины при помощи инновационного решения Velo3D Sapphire. Этот важный элемент участвует в транспортировке жидкого кислорода до камеры сгорания. Он создает достаточный напор подачи топлива, обеспечивая необходимую энергию для движения ракеты. Данная деталь двигателя E-2 состоит из двух отдельных частей – индуктора и крыльчатки, напечатанных на 3D принтере и соединенных в единый узел. В качестве материала был выбран INCONEL 718, жаропрочный и устойчивый к коррозии никель-хромовый сплав. Он оптимально сочетается с жидким кислородом и демонстрирует высокую механическую прочность при сверхнизких температурах.
Почему разработчик выбрал аддитивную технологию Velo3D Sapphire?
Launcher могла выбрать множество других современных решений для создания своего двигателя, однако она предпочла 3D печать из металла в виде технологии Velo3D. Впрочем, это неудивительно, ведь у нее есть важные преимущества в виде низкой себестоимости и обширного пространства для дизайна. Такую комбинацию выгод может обеспечить далеко не каждое решение. У разработчика были и дополнительные требования к рабочему колесу турбины, обусловленные его местоположением и назначением. В частности, при установке детали не допускалось задействовать внутренние крепления или размещать ее под наклоном. Подобные нюансы можно встретить во многих металлических изделиях, созданных при помощи АП-технологий. Поэтому Stratasys Direct выбрала систему Velo3D Sapphire из-за ее способности печатать детали без поддержек.
Еще одним требованием команды Launcher была возможность печатать идеально плоские детали. Так как даже малейшие неровности могли нарушить баланс модуля и замедлить его вращение. Технология Sapphire соответствовала всем этим запросам. Она предоставляет полностью интегрированное АП-решение, включающее программу для допечатной подготовки Flow и программу для контроля качества Assure. Кроме того, Velo3D Sapphire способна печатать под минимальным углом, вплоть до нуля градусов. Это позволяет создавать максимально плоские конструкции, что было особенно важно для Launcher.
Каким был результат?
Изготовленный при помощи 3D печати двигатель E-2 должен пройти через ряд этапов тестирования, настройки и доработки, после чего он может занять свое место в ракете Launcher Lite. На сегодняшний день Stratasys Direct механически обрабатывает этот компонент для удаления металлического порошка из всех внутренних полостей. Далее компания планирует начать его температурные испытания, после чего перейдет к тестированию крыльчатки на прочность и другие качества.
Сочетание богатого опыта Stratasys Direct в аддитивном производстве и пост-процессинге с опцией Velo3D по печати детали без поддержек помогло создать безупречное по своей сложности и функциональности решение. Недавно Launcher провела успешные испытания системы турбонаддува двигателя E-2 по заказу Космических сил США в центре NASA имени Джона Стенниса. Там команда инженеров-испытателей компании продемонстрировала мощность, производительность, устойчивость и другие характеристики модуля в ходе 11 разных тестов.
